UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL
TEMA: EL BJT Y EL MOSFET
FECHA: 3/Noviembre/ 2014
DEBER Nº:
EL TRANSISTOR BJT Es de destacar que el interés actual del BJT es muy limitado, ya que existen dispositivos de potencia con características muy superiores. Sin embargo, le dedicamos un tema dentro de esta asignatura porque es necesario comprender sus limitaciones para poder comprender el funcionamiento y limitaciones de otros dispositivos de gran importancia en la actualidad dentro del campo de la Electrónica de Potencia.
: Corresponde Región activa directa
a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. : Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base Región activa activa invers a y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente. Región de corte : Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (I C = = 0). Región de saturación :
Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado ( VCE = 0)
Las principales características que han de considerarse en los transistores bipolares de potencia son:
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS. TIEMPOS DE CONMUTACIÓN Como siempre, podemos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (t on) y tiempo de apagado (t off). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos, quedando así cuatro tiempos a estudiar:
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final. Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final. Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final. Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final. Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones: ton = td + t toff = ts + t
ÁREA DE OPERACIÓN SEGURA EN UN BJT DE POTENCIA Además de especificar la máxima disipación de potencia a diferentes temperaturas de encapsulado, los fabricantes de transistores de potencia suelen indicar una gráfica de la frontera del área de operación sin riesgo ( SOA, Safe Operation Area) en el plano i c v.
En esta curva se pueden observar cuatro áreas claramente diferenciadas: 1. La corriente máxima permisible IC max . Si se excede esta corriente de manera continua
puede dar como resultado que se fundan los alambres que conectan el dispositivo a los terminales del encapsulado 2. La hipérbola de máxima disipación de potencia. Este es el lugar geométrico de los puntos para los cuales se cumple que Vce·ic = Pmax (a TCO). Para temperaturas T >T CO se
obtendrán un conjunto de hipérbolas más bajas. Aun cuando se pueda permitir que el punto de trabajo se mueva de modo temporal por encima de la hipérbola, no debe permitirse que el promedio de disipación de potencia exceda de P . 3. Límite de segunda ruptura. La segunda ruptura es un fenómeno que resulta debido a que
la circulación de corriente por la unión entre emisor y base no es uniforme. Más bien, la densidad de corriente es mayor cerca de la periferia de la unión. Esta “aglomeración de corriente” da lugar a mayor disipación de potencia localizada y po r lo tanto a calentamientos en lugares que reciben el nombre de “puntos calientes”.
Como el calentamiento produce un aumento de corriente, puede ocurrir un gradiente térmico que provoque la destrucción de la unión semiconductora. 4. Voltaje de ruptura de la unión colector emisor B V . Nunca debe permitirse que el valor instantáneo de vce exceda de BVCEO; de otra manera, ocurrirá la ruptura de avalancha de la
unión entre colector y base.
EL TRANSISTOR MOSFET El nombre de MOSFET, viene dado por las iniciales de los elementos que los componen; una fina película metálica (Metal-M); oxido de silicio (Óxido - O); región semiconductora (Semiconductor- S). Las aplicaciones más típicas de los transistores de potencia MosFet se encuentran en la conmutación a altas frecuencias, chopeado, sistemas inversores para controlar motores, generadores de altas frecuencias para inducción de calor, generadores de ultrasonido, amplificadores de audio y transmisores de radiofrecuencia. La principal diferencia entre los Transistores Bipolares (BJT) y los Mosfet consiste en que estos últimos son controlados por tensión aplicada en la puerta (G) y requieren solo una pequeña corriente de entrada, mientras que los transistores Bipolares (BJT), son controlados por corriente aplicada a la base.
TIPOS DE MOSFET
M o s f e t d e D e p l e x i ón o e m p o b r e c i m i e n t o : existe un canal por el cual circula la corriente
aunque no se aplique tensión en la puerta.
el canal por el cual circula la corriente se crea cuando se le aplica una tensión en la puerta. M o s f e t d e A c u m u l a c i ón o e n r i q u e c i m i e n t o :
A su vez, dentro de los transistores MOSFET de enriquecimiento podemos distinguir dos tipos: de canal n o de canal p , dependiendo del tipo de sustrato utilizado y del tipo de portadores mayoritarios por el canal. En la siguiente figura se pueden observarla estructura física y el símbolo más habitual para un MOSFET de canal n:
Asimismo, en la siguiente figura se muestran las mismas figuras para un MOSFET de canal p:
REGIONES DE TRABAJO DE LOS MOSFET La curva característica nos da información acerca de cómo varía la intensidad del drenador (id) para una tensión fija (vds), y variando la tensión aplicada entre la puerta y el surtidor (vgs). En particular, en la siguiente figura se apreciar la curva característica de un n-MOSFET de enriquecimiento.
Región de Corte En la figura anterior se puede ver como existen corrientes residuales (muy pequeñas), cuando el dispositivo está en corte. Si la tensión aplicada entre Puerta – Surtidor es inferior (normalmente superior a 2 voltios, para los Mosfet de potencia), el dispositivo continuará en la región de corte. En esta región la corriente que circula por el drenador es prácticamente nula.
Las ecuaciones para esta región serán:
Región Activa (Saturación de Canal) En esta región se utiliza el transistor Mos como amplificador. Para un valor de v, que será como mínimo V se produce el paso de corriente entre el drenador y el surtidor. En la región activa el valor de la tensión entre puerta y surtidor, controla la magnitud de la corriente del drenador, como la tensión entre el drenador y el surtidor (v). Como se puede ver en la curva característica, para un valor particular de la tensión entre puerta surtidor, tenemos un valor de la corriente del drenador (i).
Las ecuaciones para esta región serán:
VENTAJAS DE LOS MOSFET FRENTE A LOS BJT La velocidad de conmutación para los Mosfet está en el orden de los nanosegundos, por esto los Mosfet son muy utilizados en convertidores de pequeña potencia y alta frecuencia.
Los Mosfet no tienen el problema de segunda ruptura Mayor área de funcionamiento. Mayores ganancias. Circuito de mando más simple. Alta impedancia de entrada.
INCONVENIENTES DE LOS MOSFET Los Mosfet tienen el problema de ser muy sensibles a las descargas electrostáticas y requieren un embalaje especial.
Es relativamente difícil su protección. Los Mosfet son más caros que sus equivalentes bipolares. La resistencia estática entre Drenador-Surtidor, es más grande, lo que provoca mayores pérdidas de potencia cuando trabaja en Conmutación.
